Positioning and Navigation Using the Russian Satellite System

Positioning and Navigation Using the Russian Satellite System
GLONASS
von
Udo Roßbach
Vollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at f¨
ur Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universit¨at
der Bundeswehr M¨
unchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Reinhardt
1. Berichterstatter:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. E. Groten
3. Berichterstatter:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Eissfeller
Die Dissertation wurde am 2. M¨arz 2000 bei der Universit¨at der Bundeswehr M¨
unchen, Werner-Heisen-
berg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.
Tag der m¨
undlichen Pr¨
ufung: 20. Juni 2000

ii
ABSTRACT / ZUSAMMENFASSUNG
Abstract
Satellite navigation systems have not only revolutionized navigation, but also geodetic positioning. By
means of satellite range measurements, positioning accuracies became available that were previously
unknown, especially for long baselines. This has long been documented for applications of GPS, the
American Global Positioning System. Besides this, there is the Russian Global Navigation Satellite Sys-
tem GLONASS. Comparable to GPS from the technical point of view, it is suffering under the economic
decline of the Russian Federation, which prevents it from drawing the attention it deserves.
Due to the similarities of GPS and GLONASS, both systems may also be used in combined ap-
plications. However, since both systems are not entirely compatible to each other, first a number of
inter-operability issues have to be solved. Besides receiver hardware issues, these are mainly the differ-
ences in coordinate and time reference frames. For both issues, proposed solutions are provided. For
the elimination of differences in coordinate reference frames, possible coordinate transformations are
introduced, determined using both a conventional and an innovative approach.
Another important topic in the usage of GLONASS for high-precision applications is the fact that
GLONASS satellites are distinguished by slightly different carrier frequencies instead of different PRN
codes. This results in complications, when applying double difference carrier phase measurements to
position determination the way it is often done with GPS. To overcome these difficulties and make use
of GLONASS double difference carrier phase measurements for positioning, a new mathematical model
for double difference carrier phase observations has been developed.
These solutions have been implemented in a GLONASS and combined GPS/GLONASS processing
software package.
Zusammenfassung
Satelliten-Navigationssysteme haben nicht nur die Navigation, sondern auch die geod¨atische Positionsbe-
stimmung revolutioniert. Mit Hilfe von Entfernungsmessungen zu Satelliten wurden vorher nicht gekannte
Genauigkeiten in der Positionierung verf¨
ugbar. F¨
ur Anwendungen des amerikanischen GPS Global Po-
sitioning System ist dies schon lange dokumentiert. Daneben gibt es das russische Global Navigation
Satellite System GLONASS. Vom technischen Standpunkt her vergleichbar zu GPS, leidet es unter dem
wirtschaftlichen Niedergang der Russischen F¨oderation und erh¨alt deswegen nicht die Aufmerksamkeit,
die es verdient.
Aufgrund der ¨
Ahnlichkeiten zwischen GPS und GLONASS k¨onnen beide System auch gemeinsam
in kombinierten Anwendungen genutzt werden. Da beide System jedoch nicht vollst¨andig zueinander
kompatibel sind, m¨
ussen vorher noch einige Fragen der gemeinsamen Nutzung gekl¨art werden. Neben
Fragen der Empf¨anger-Hardware sind dies haupts¨achlich die Unterschiede in den Koordinaten- und
Zeit-Bezugssystemen. F¨
ur beide Punkte wurden L¨osungen vorgeschlagen. Um die Unterschiede in den
Koordinaten-Bezugssystemen auszur¨aumen, werden m¨ogliche Koordinatentransformationen vorgestellt.
Diese wurden sowohl ¨
uber einen konventionellen als auch mit einem innovativen Ansatz bestimmt.
Ein anderer wichtiger Punkt in der Nutzung von GLONASS f¨
ur hochpr¨azise Anwendungen ist die
Tatsache, daß sich GLONASS-Satelliten durch die leicht unterschiedlichen Tr¨agerfrequenzen ihrer Sig-
nale unterscheiden, und nicht durch unterschiedliche PRN-Codes. Dies bringt Komplikationen mit
sich bei der Anwendung doppelt-differenzierter Tr¨agerphasenmessungen, wie sie bei GPS h¨aufig ver-
wendet werden. Um diese Schwierigkeiten zu ¨
uberwinden und auch doppelt differenzierte GLONASS-
Tr¨agerphasenmessungen f¨
ur die Positionsbestimmung verwenden zu k¨onnen, wurde ein neues mathema-
tisches Modell der Doppeldifferenz-Phasenbeobachtungen hergeleitet.
Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in einem Software-Paket zur Prozessierung von GLONASS und
kombinierten GPS/GLONASS Beobachtungen implementiert.

CONTENTS
iii
Contents
Abstract / Zusammenfassung
ii
Contents
iii
List of Figures
vi
List of Tables
viii
1 Introduction
1
2 History of the GLONASS System
3
3 GLONASS System Description
7
3.1 Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.1.1
Time Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.1.2
Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2 Ground Segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.3 Space Segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.4 GLONASS Frequency Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.5 Signal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.5.1
C/A-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.5.2
P-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.5.3
C/A-Code Data Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.5.4
Time Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.5.5
Bit Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.5.6
Structure of Navigation Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.5.7
GLONASS-M Navigation Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.6 System Assurance Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.7 User Segment and Receiver Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.8 GLONASS Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4 Time Systems
31
4.1 GLONASS Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.2 GPS Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.3 UTC, UTCUSNO, UTCSU and GLONASS System Time . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.4 Resolving the Time Reference Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.4.1
Introducing a Second Receiver Clock Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.4.2
Introducing the Difference in System Time Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.4.3
Application of A-priori Known Time Offsets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
4.4.4
Dissemination of Difference in Time Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5 Coordinate Systems
39
5.1 PZ-90 (GLONASS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
5.2 WGS84 (GPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
5.3 Realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
5.4 Combining Coordinate Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
5.5 7-Parameter Coordinate Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.6 Transformation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.6.1
Methods for Determination of Transformation Parameters . . . . . . . . . . . . . .
42

iv
CONTENTS
5.6.2
Russian Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.6.3
American Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.6.4
German Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.6.5
IGEX-98 Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.7 Applying the Coordinate Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.8 Coordinate Frames in Differential Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.9 GLONASS Ephemerides in WGS84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6 Determination of Transformation Parameters
55
6.1 Preparations and Realization of IfEN’s Measurement Campaign . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.2 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
6.2.1
Single Point Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.2.2
Double Difference Baselines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.3 Direct Estimation of Transformation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
7 Satellite Clock and Orbit Determination
73
7.1 Satellite Clock Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
7.2 Satellite Orbit Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.2.1
Orbital Force Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.2.2
Orbit Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
7.2.3
Integration Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
7.3 Satellite Positions from Almanac Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
8 Observations and Position Determination
85
8.1 Pseudorange Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
8.1.1
Single Point Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
8.1.2
Single Difference Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
8.1.3
Double Difference Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
8.2 Carrier Phase Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
8.2.1
Single Point Observation Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
8.2.2
Single Difference Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
8.2.3
Double Difference Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
8.3 GLONASS and GPS/GLONASS Carrier Phase Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
8.3.1
Floating GLONASS Ambiguities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
8.3.2
Single Difference Positioning and Receiver Calibration . . . . . . . . . . . . . . . .
111
8.3.3
Scaling to a Common Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
8.3.4
Iterative Ambiguity Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
8.4 A Proposed Solution to the Frequency Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
8.5 Ionospheric Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
8.5.1
Single Frequency Ionospheric Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
8.5.2
Dual Frequency Ionospheric Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
8.6 Dilution of Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
9 GPS/GLONASS Software Tools
135
10 Summary
139
Appendix
141
A Bibliography
141
B GLONASS Launch History
149

CONTENTS
v
C Symbols
151
C.1 Symbols Used in Mathematical Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
C.2 Vectors and Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
C.3 Symbols Used as Subscripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
C.4 Symbols Used as Superscripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
D Abbreviations and Acronyms
153
Dank
157
Lebenslauf
159

vi
LIST OF FIGURES
List of Figures
2.1 Number of available satellites in 1996 through 1999 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2 Current status of the GLONASS space segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1 Locations of GLONASS ground stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.2 Model of GLONASS satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.3 GLONASS frequency plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.4 GLONASS C/A-code generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.5 GLONASS P-code generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.6 Structure of the C/A-code data sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.7 Structure of ephemeris and general data lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.8 Structure of almanac data lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.9 Structure of ephemeris and general data lines (GLONASS-M) . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.10 Structure of almanac data lines (GLONASS-M) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.11 Single point positioning using GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.12 Single point positioning using GLONASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.13 3S Navigation R-100/R-101 GPS/GLONASS receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
3.14 MAN / 3S Navigation GNSS-200 GPS/GLONASS receiver . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.15 Ashtech GG24 GPS/GLONASS receiver OEM board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.16 Javad Positioning Systems GPS/GLONASS receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.17 NovAtel MiLLenium–GLONASS GPS/GLONASS receiver OEM board . . . . . . . . . .
28
5.1 Example of combined GPS/GLONASS positioning without coordinate transformation . .
41
5.2 Example of combined GPS/GLONASS positioning with coordinate transformation accord-
ing to (Misra et al., 1996a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
5.3 Example of combined GPS/GLONASS positioning with coordinate transformation accord-
ing to (Roßbach et al., 1996) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
5.4 Example of combined GPS/GLONASS positioning with coordinate transformation accord-
ing to (Mitrikas et al., 1998) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5.5 Average deviations of differential positions with and without transformation . . . . . . . .
52
5.6 Deviations of differential kinematic positions with and without transformation . . . . . .
53
6.1 Participating observation sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.2 Observation sites used for direct estimation of transformation parameters . . . . . . . . .
70
7.1 Determination of integration error in satellite orbit calculation . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.2 Example of orbit errors in dependence of step width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
7.3 Determination of long term integration error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
7.4 Long-term errors in orbit integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
8.1 GPS, GLONASS and combined GPS/GLONASS absolute positioning . . . . . . . . . . .
90
8.2 GPS, GLONASS and GPS/GLONASS absolute positioning, height component . . . . . .
91
8.3 GPS, GLONASS and combined GPS/GLONASS single difference positioning . . . . . . .
95
8.4 GPS, GLONASS and GPS/GLONASS single difference positioning, height component . .
96
8.5 GPS, GLONASS and combined GPS/GLONASS double difference positioning . . . . . .
101
8.6 GPS, GLONASS and GPS/GLONASS double difference positioning, height component .
102
8.7 GPS/GLONASS double difference inter-system hardware delay . . . . . . . . . . . . . . .
103
8.8 GPS, GLONASS and GPS/GLONASS single difference carrier phase positioning . . . . .
107
8.9 Single difference carrier phase positioning, position deviation . . . . . . . . . . . . . . . .
108
8.10 GPS, GLONASS and GPS/GLONASS double difference carrier phase positioning . . . . .
119
8.11 Double difference carrier phase positioning, position deviation . . . . . . . . . . . . . . . .
120
8.12 GPS/GLONASS double difference carrier phase inter-system hardware delay . . . . . . .
121
8.13 GPS double difference carrier phase floating ambiguities . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
8.14 GLONASS double difference carrier phase floating ambiguities . . . . . . . . . . . . . . .
122

LIST OF FIGURES
vii
8.15 GDOP values for 02/26/99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
8.16 Comparison of GDOP values from Eqs. (8.6.12) and (8.6.15) . . . . . . . . . . . . . . . .
132
8.17 Comparison of PDOP values from Eqs. (8.6.12) and (8.6.15) . . . . . . . . . . . . . . . .
133
8.18 Comparison of TDOP values from Eqs. (8.6.12) and (8.6.15) . . . . . . . . . . . . . . . .
133
9.1 Screen shot of the GPS/GLONASS mission planning tool . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
9.2 Screen shot of the GPS/GLONASS RINEX decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
9.3 Screen shot of the GPS/GLONASS absolute positioning tool . . . . . . . . . . . . . . . .
138

viii
LIST OF TABLES
List of Tables
3.1 Parameters of the reference systems PZ-90 and WGS84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2 Mean square errors of GLONASS broadcast ephemerides . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.3 Parameters of the GLONASS and GPS space segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.4 Usage of GLONASS frequency numbers in January of 1998 . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.5 Structure of lines 1 – 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.6 Structure of lines 6 – 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.7 New or modified GLONASS-M data fields in lines 1 – 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.8 Accuracy of measurements indicator F
T
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.9 New or modified GLONASS-M data fields in lines 6 – 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
6.1 Known station coordinates in ITRF-94 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.2 Summary of available observations at stations by campaign day . . . . . . . . . . . . . . .
57
6.3 Computed station coordinates in the PZ-90 frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.4 Estimated transformation parameters from single point solutions, 7 parameters . . . . . .
59
6.5 Residuals of 7 parameter transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
6.6 Estimated transformation parameters from single point solutions, 4 parameters . . . . . .
60
6.7 Known baselines between stations in ITRF-94 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.8 Computed baselines between stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.9 Estimated transformation parameters from baseline solutions, 4 parameters . . . . . . . .
62
6.10 Coordinates of observation sites used in parameter determination . . . . . . . . . . . . . .
71
7.1 Errors in orbit integration of center epoch between two adjacent ephemerides . . . . . . .
79
7.2 Errors in orbit integration to reference epoch of succeeding ephemerides . . . . . . . . . .
79
7.3 Errors in orbit integration to reference epoch of preceding ephemerides . . . . . . . . . . .
80
7.4 Long-term errors in orbit integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
8.1 Largest common denominators of GLONASS/GLONASS coefficients, until 2005 . . . . . .
117
8.2 Largest common denominators of GLONASS/GLONASS coefficients, beyond 2005 . . . .
118
B.1 Launch history and service lives of GLONASS satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149

1
1
Introduction
Parallel to the American NAVSTAR-GPS, the former Soviet Union also worked on developing and putting
up a satellite navigation system based on one-way range measurements. This system, called GLONASS
(GLONASS – Global na Navigacionna Sputnikova Sistema, Global’naya Navigatsionnaya
Sputnikowaya Sistema, Global Navigation Satellite System), today is continued by the Commonwealth
of Independent States (CIS) and especially the Russian Federation as the successor of the Soviet Union.